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國家天文台科研人員借助“心電圖”揭秘富锂巨星

發表日期:2020-10-06來源:放大 縮小

  锂元素是宇宙中最早産生的元素之一,但它在多種天體中的含量均與理論預測存在較大的差異。锂元素在恒星中的起源與演化一直困擾著天文學家,例如,宇宙中有一種被稱爲富锂巨星的天體,它們锂元素的含量超過恒星演化理論值的上千倍。針對這些天體中的锂是如何産生的,天文學家一直在努力尋找答案。 

  北京时间10月6日凌晨,国际学术期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)发布了一项由我国天文学家主导的国际科研团队关于富锂巨星真实身份的重要成果。借助我国重大基础科技设施LAMOST巡天数据和美国开普勒太空望远镜的星震数据,研究团队通过监听恒星的“心跳”,发现绝大多数富锂巨星其实都是紅團簇星,而不是傳統上所認爲的紅巨星。這一發現挑戰了傳統的恒星演化理論,對最終解開锂元素的起源之謎至關重要。 

  天文學家通過恒星監測恒星的心跳和分析它們的光譜揭秘富锂巨星的真實身份  圖源:喻京川,北京天文館 

  恒星如同人類一樣,有誕生、成長、衰老及死亡等過程。太陽就是一顆正處于青壯年時期的恒星。不過,隨著恒星不斷發光發熱,其內部物質會出現明顯的變化,並由此産生一系列改變。紅巨星紅團簇星是恒星進入晚年後兩種不同階段,它們內部進行核反應的物質不完全相同,因此其結構和物理過程也具有顯著差異。 

  但如果僅從表面上看,天文學家很難判斷一顆恒星究竟是紅巨星還是紅團簇星。“这是因为两种恒星在温度和光度方面相差无几,就像我们很难判断一位白发苍苍的老者到底是70岁還是80岁一样,只能根据经验进行一个大致的估计,但并不一定非常准确”,该团队的主要领导者之一,論文共同通讯作者国家天文台赵刚研究員对此解释道。 

  紅團簇星和紅巨星内部结构示意图。紅團簇星与紅巨星内部结构不同,紅團簇星内部是氦组成的核心在燃烧,而紅巨星的氦核心不燃烧,其外面的氢包层在燃烧。紅團簇星和紅巨星的初始阶段在温度、亮度上几乎相同,很难区分。圖源:青木和光,日本國立天文台 

  長久以來,天文學家認爲,紅巨星內部劇烈的對流爲锂元素的産生創造了可能的條件,因此大部分富锂巨星應該是紅巨星。但對此持懷疑態度的科研團隊通過我國LAMOST、日本昴星團等望遠鏡采集了大量富锂巨星的光譜,並借助開普勒太空望遠鏡對這些富锂巨星的震動數據,得到了截然不同的結論。 

  “我们给恒星做了心电图”,論文的第一作者,国家天文台闫宏亮副研究員介绍道“星震就像是恒星的心跳,能够传递恒星内部的真实信息,就算两者表面上看起来差不多,但紅巨星紅團簇星的心髒是不同的”。研究發現,超過80%的富锂巨星是紅團簇星,而且不同類型的富锂巨星在锂含量、恒星質量等多個方面均與傳統認知存在著顯著差別。 

  “这些发现很难用传统理论去进行解释”,論文共同通讯作者,国家天文台施建荣研究員评论道,“由于内部物理环境不同,原有的理论并不适用于紅團簇星,我们需要尽快寻找到这一观测现象的真实原因”。对此,論文通过观测数据检验了双星合并产生富锂巨星的理论,认为这是一种有潜力的方向。“我们看到最近国际上提出了不少新的理论来解释这个问题”,赵刚研究員说,“包括氦闪、双星的合并、特殊的对流等等,虽然目前尚无定论,但下一步的关键就是去逐一检验这些理论,找到真像”。 

  据悉,该工作是由一个中国主导,包括来自日本、法国、荷兰、美国以及澳大利亚等国科研人员参与的国际团队合作完成的。日方团队主要负责人,日本国立天文台青木和光副教授对此研究评价道“这些发现表明,在小质量恒星的演化过程中,仍然有一些未知的过程能够显著改变恒星表面的物质组成,说明亟待发展新的物理机制”。中方的参与单位包括中國科學院国家天文台、雲南天文台,北京师范大学、中國科學院大学以及北京大学等。 

  在此研究中,多個望遠鏡的協同合作是取得成果的關鍵,除LAMOST和開普勒望遠鏡外,日本的昴星團望遠鏡、我國麗江觀測站的2.4米和1.8米望遠鏡均在觀測中發揮了重要作用。 

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01217-8。 

 
 
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